本發(fā)明屬于鋰金屬電池，具體涉及一種適用于快充型鋰金屬電池基于離子液體的醚基電解液及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、鋰金屬由于較高的理論容量(3860mah?g-1)以及最低的氧化還原電位(-3.04vvs.s.h.e.)，因此，鋰金屬電池受到了研究人員的廣泛關(guān)注，也被廣泛應(yīng)用到便攜電子設(shè)備以及電動(dòng)汽車的等生活中的各個(gè)方面。

2、然而，要實(shí)現(xiàn)電池在幾分鐘內(nèi)快速充電仍然存在嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。一方面，金屬鋰較高的活性，在電池充放電過程中容易形成枝晶，使電池存在嚴(yán)重的安全隱患，同時(shí)導(dǎo)致大量的死鋰生成，減少活性鋰儲(chǔ)量，使電池容量快速衰減。而快速充放電會(huì)加劇鋰離子在電極表面不均勻沉積，加劇生成枝晶和死鋰的問題。另一方面，傳統(tǒng)電解液由于較低的離子導(dǎo)，極大限制了電池快充性能。如表1所示，部分電解液的研究當(dāng)中，雖然開發(fā)許多兼容高電壓ncm811正極材料，促進(jìn)li||ncm811電池穩(wěn)定的循環(huán)的電解液，然而大部分循環(huán)倍率并不高，不能滿足快速充電電池的需求。因此，想要實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池快速充放電，需要制備與電極材料兼容性良好的且同時(shí)擁有較高離子導(dǎo)的新型電解液。

3、表1

4、

5、

6、針對以上問題，開發(fā)新型具有高離子導(dǎo)、與電極材料兼容性好的快充型鋰金屬電池電解液尤為關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于快充型鋰金屬電池基于離子液體的醚基電解液及其制備方法與應(yīng)用。通過添加哌啶類離子液體，促進(jìn)富陰離子溶劑化配位鞘形成，降低去溶劑化能壘，提升電解液離子導(dǎo)。同時(shí)含氮的n-烷基-n-甲基哌啶陽離子有機(jī)基團(tuán)有助于形成富氮的穩(wěn)定固態(tài)電解質(zhì)間相層穩(wěn)定電極界面，緩解鋰金屬負(fù)極副反應(yīng)，有效提升電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、適用于快充型鋰金屬電池基于離子液體的醚基電解液，包括鋰鹽和溶劑；

4、所述的鋰鹽為雙氟磺酰亞胺鋰或雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰、硝酸鋰和二氟磷酸鋰的混合物，其中，以雙氟磺酰亞胺鋰或雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰為主鹽，終濃度為1-1.2mol/l，硝酸鋰和二氟磷酸鋰為添加劑鹽，二者終濃度和為0-0.3mo?l/l，最終鋰鹽混合物總終濃度和為1-1.5mol/l；

5、所述的溶劑為哌啶類離子液體與醚類溶劑的混合溶劑，體積比1:1-5。

6、進(jìn)一步，優(yōu)選的是，哌啶類離子液體為n-乙基-n-甲基哌啶四氟硼酸鹽、n-丙基-n-甲基哌啶六氟磷酸鹽、n-丙基-n-甲基哌啶碘鹽、n-丙基-n-甲基哌啶雙(三氟甲烷磺酰)亞胺鹽、n-丙基-n-甲基哌啶雙(氟磺酰)亞胺鹽、n-丁基-n-甲基哌啶雙(三氟甲烷磺酰)亞胺鹽、n-丁基-n-甲基哌啶二腈胺鹽、n-己基-n-甲基哌啶雙(三氟甲烷磺酰)亞胺鹽、n-辛基-n-甲基哌啶雙(三氟甲磺酰)亞胺鹽和n-癸基-n-甲基哌啶雙(三氟甲磺酰)亞胺鹽中的至少一種。

7、進(jìn)一步，優(yōu)選的是，醚類溶劑為乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、1,3-二氧戊環(huán)和1,4-二氧六環(huán)中至少一種。

8、本發(fā)明同時(shí)提供一種快充鋰金屬電池，包括正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液，其特征在于，所述的電解液為所述的適用于快充型鋰金屬電池基于離子液體的醚基電解液。例如該快充鋰金屬電池為紐扣電池，則紐扣電池組裝如圖1所示。

9、進(jìn)一步，優(yōu)選的是，所述的正極材料為富鎳正極材料。

10、進(jìn)一步，優(yōu)選的是，所述的正極材料為鎳鈷錳酸鋰，其化學(xué)式為lini0.8co0.1mn0.1o2。

11、進(jìn)一步，優(yōu)選的是，所述的負(fù)極材料為鋰金屬片。

12、進(jìn)一步，優(yōu)選的是，所述的隔膜為celgard-2500。

13、本發(fā)明還提供上述適用于快充型鋰金屬電池基于離子液體的醚基電解液在制備快充鋰金屬電池的應(yīng)用。

14、本發(fā)明在采用多種哌啶類離子液體時(shí)，離子液體之間沒有比例限制，可以根據(jù)所需電解液性質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，離子液體與醚類溶劑體積比在1:1-5即可。

15、本發(fā)明在采用多種醚類溶劑時(shí)，醚類溶劑之間沒有比例限制，可以根據(jù)所需電解液性質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，離子液體與醚類溶劑體積比在1:1-5即可。

16、本發(fā)明使用哌啶類離子液體添加劑改善醚類電解液的離子導(dǎo)，提升電池的倍率性能，同時(shí)促進(jìn)富氮固態(tài)電解質(zhì)間相的形成，穩(wěn)定電極界面，提升電池循環(huán)穩(wěn)定性。

17、本發(fā)明適用于快充型鋰金屬電池基于離子液體的醚基電解液的制備方法，包括如下步驟：

18、(1)將鋰鹽和離子液體分別于70-100℃條件下干燥至少10h，以控制其中的水含量；

19、(2)將分子篩置于馬弗爐中350-500℃活化至少10h，然后加入到醚類溶劑中靜置至少3天，以控制醚類溶劑中的水含量；

20、(3)按鋰鹽混合物總濃度為1-1.5mol/l，離子液體與醚類溶劑體積比1:1-5混合，攪拌至所有物料完全溶解后，即得到適用于快充型鋰金屬電池基于離子液體的醚基電解液。

21、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為：

22、(1)構(gòu)建富陰離子溶劑化鞘結(jié)構(gòu)，降低去溶劑化能壘，有效加快電池反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，提升電解液離子導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)電池快速充放電。

23、(2)形成富氮的固態(tài)電解質(zhì)間相組分，能有效穩(wěn)定電極材料界面，抑制鋰金屬表面枝晶生成，提升電池循環(huán)穩(wěn)定性。

24、(3)本發(fā)明提出了一種鋰電池用的醚基快充型電解液，制備方法簡單，易于推廣和應(yīng)用。

25、(4)目前的研究通常聚焦于小電流密度下穩(wěn)定長循環(huán)，如表1所示。本發(fā)明中快充電池能在10c倍率下穩(wěn)定循環(huán)，容量沒有明顯衰減。換言之，本發(fā)明可在6min(10c)充滿電，有效緩解續(xù)航焦慮。

技術(shù)特征：

1.適用于快充型鋰金屬電池基于離子液體的醚基電解液，其特征在于，包括鋰鹽和溶劑；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于快充型鋰金屬電池基于離子液體的醚基電解液，其特征在于，哌啶類離子液體為n-乙基-n-甲基哌啶四氟硼酸鹽、n-丙基-n-甲基哌啶六氟磷酸鹽、n-丙基-n-甲基哌啶碘鹽、n-丙基-n-甲基哌啶雙(三氟甲烷磺酰)亞胺鹽、n-丙基-n-甲基哌啶雙(氟磺酰)亞胺鹽、n-丁基-n-甲基哌啶雙(三氟甲烷磺酰)亞胺鹽、n-丁基-n-甲基哌啶二腈胺鹽、n-己基-n-甲基哌啶雙(三氟甲烷磺酰)亞胺鹽、n-辛基-n-甲基哌啶雙(三氟甲磺酰)亞胺鹽和n-癸基-n-甲基哌啶雙(三氟甲磺酰)亞胺鹽中的至少一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于快充型鋰金屬電池基于離子液體的醚基電解液，其特征在于，醚類溶劑為乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、1,3-二氧戊環(huán)和1,4-二氧六環(huán)中至少一種。

4.一種快充鋰金屬電池，包括正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液，其特征在于，所述的電解液為權(quán)利要求1～3任意一項(xiàng)所述的適用于快充型鋰金屬電池基于離子液體的醚基電解液。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快充鋰金屬電池，其特征在于，所述的正極材料為富鎳正極材料。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的快充鋰金屬電池，其特征在于，所述的正極材料為鎳鈷錳酸鋰，其化學(xué)式為lini0.8co0.1mn0.1o2。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快充鋰金屬電池，其特征在于，所述的負(fù)極材料為鋰金屬片。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快充鋰金屬電池，其特征在于，所述的隔膜為celgard-2500。

9.權(quán)利要求1～3任一項(xiàng)所述的適用于快充型鋰金屬電池基于離子液體的醚基電解液在制備快充鋰金屬電池的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種適用于快充型鋰金屬電池基于離子液體的醚基電解液及其制備方法與應(yīng)用，屬于鋰金屬電池技術(shù)領(lǐng)域。該電解液包括鋰鹽和溶劑；所述的鋰鹽為雙氟磺酰亞胺鋰或雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰、硝酸鋰和二氟磷酸鋰的混合物，終濃度為1?1.5mol/L；所述的溶劑為哌啶類離子液體與醚類溶劑的混合溶劑，體積比1:1?5。本發(fā)明使用哌啶類離子液體添加劑對鋰金屬電池性能進(jìn)行改善。通過哌啶類離子液體中陽離子基團(tuán)促進(jìn)形成含氮固態(tài)電解質(zhì)間相以穩(wěn)定電極界面，同時(shí)離子液體引入的陰離子基團(tuán)促進(jìn)形成富陰離子溶劑化鞘結(jié)構(gòu)，降低充放電時(shí)鋰離子去溶劑化能壘，加速去溶劑化過程，實(shí)現(xiàn)電池快充。

技術(shù)研發(fā)人員：袁守怡,丁凱,沈云,鐘明陽
受保護(hù)的技術(shù)使用者：昆明理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10